煙稈顆粒的微波干燥動力學與能耗分析

盧 澤，張大斌，胡 浩，曹 陽，張紀利，黃德云

(1.貴州大學 機械工程學院，貴陽 550025；2.廣西中煙工業有限責任公司，南寧 530000；3. 貴州科爾達克機電設備有限公司，貴陽 550001)

0 引言

煙稈作為一種特殊的經濟作物副產物，由于其含有煙堿、攜帶有煙草病菌，既不適于作飼料，也不能直接還田[1]。因此，煙稈資源化回收既能夠減少環境污染、提高煙稈的利用價值，又能夠為煙農創收，實現煙草可持續發展。煙稈資源化利用主要有堆肥還田[2]、生物質燃料[3]、活性炭與生物炭[4]、刨花板[5]、培養基[6]及果膠[7]等，近年來將煙稈制備生物質燃料成為煙稈資源化回收利用的研究熱點。因煙稈具有半木質化特性，可將鮮煙稈經粉碎、干燥、擠壓后等工序制成生物質燃料。鮮煙稈含水率為75%左右，研究表明[8]，原料含水率為12%～15%時，生物質壓縮成型的效果最好。

作物秸稈傳統干燥方式為自然曬干，但其周期較長，外界因素不可控，限制了秸稈工業化應用的發展。近年來，微波干燥因其加熱快速、均勻、高效等優勢，已被應用于疏解棉稈[9]、水果[10]、蔬菜[11]、茶葉[12]、肉制品[13]和蜂蜜[14]等方面的干燥。本文結合微波干燥的優點，采用微波對煙稈顆粒進行干燥。為了更好地描述煙稈顆粒干燥過程的變化規律、優化干燥工藝和設計干燥設備，本文通過對煙稈顆粒干燥過程中傳質的動力學模型和能耗方面的研究，探討其干燥特性，以期為煙稈顆粒微波干燥設備的設計開發提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與處理

煙稈選自貴州大學教學實驗場烤煙種植基地，煙稈拔除時間為煙葉采摘結束后35天，煙稈品種為云煙87，煙稈的長度基本一致，其根部、中部、頂部的直徑大小基本相同。試驗前，將煙稈根部切掉，煙花、煙種、腋芽等摘除，保留煙莖部分；將煙稈附帶的水分用棉布吸凈后，在室內自然晾干12h；采用從鄭州鑫地機械設備有限公司購置的9RQ-2型秸稈粉碎機對煙稈進行粉碎，制成長度為10～20mm、寬度為5～10mm的煙稈顆粒，處理后的試樣粒度大小分布均勻，放置在微波盤上物料厚度為50mm。在試驗前，采用木屑含水率測量儀對煙稈顆粒初始水分含量進行測定，初始含水率約為75%。

1.2 儀器設備

微波干燥設備為M1-211A 微波爐(美的集團有限公司)，微波爐功率分為5個檔位，功率分別為0.7、0.56、0.42、0.28、0.14kW，加熱時間可調；煙稈粉粹設備為9RQ-2型秸稈粉碎機(鄭州鑫地機械設備有限公司)，能制成長度為10～20mm、直徑為2～6mm的煙稈顆粒；煙稈顆粒的初始含水率采用木屑含水率測量儀(北京順科達科技有限公司)，能夠測試出煙稈顆粒試驗前含水率；煙稈顆粒表面溫度測量采用紅外測溫槍(優利德科技(中國)有限公司)；煙稈顆粒的稱量使用精密電子天平實驗室電子稱(深圳市俊仁科技有限公司)，其精確度可達到0.01g。

1.3 試驗方法

選取微波功率、裝載量為試驗因素，分別進行單因素試驗。將煙稈顆粒的裝載量固定位為60g，分別調節微波功率為0.7、0.56、0.42、0.28kW進行試驗，研究微波功率對煙稈顆粒干燥的影響；固定微波功率為0.7kW，裝載量分別為33、70、111、169g時，研究裝載量對干燥特性的影響。測量和稱量樣品的時間間隔為60s，并在10s內完成稱量過程；微波干燥至干基含水率低于10%時，停止干燥。將粒徑大小基本一致的煙稈顆粒平鋪在微波盤上，物料厚度控制在10mm。

1.4 干燥曲線的數學模型

為了研究煙稈顆粒的干燥特性，參照了國內外5個常用的薄層干燥模型對不同的裝載量下煙稈顆粒的干燥過程進行擬合，以期通過試驗數據的非線性回歸擬合求解，得出最優的煙稈顆粒微波干燥數學模型。表1中列出了這5個常用的薄層干燥數學模型。

表1 5種常見薄層物料干燥數學模型

a、b、n、k均為待定常數；t為干燥時間(min)。

整個過程中，煙稈顆粒的水分比為(MR)，通過式(1)求得，即

(1)

其中，MR是水分比；Mt是煙稈顆粒在t時刻的含水率(g/g)；M0為煙稈顆粒初始含水率(g/g)；Me為煙稈顆粒平衡含水率(g/g)。

由于微波干燥強度較大，可假定煙稈顆粒在微波干燥條件下的平衡含水率為0，即水分比為

(2)

1.5 相關系數與誤差分析

參考5種國內外相關文獻常用的干燥數學模型，擬合煙稈顆粒微波干燥試驗數據，模型精確度采用決定系數R2，殘差平方和(SSE)等指標。R2越高，SSE越低，說明模型擬合度越高，從而選出煙稈顆粒微波干燥的數學模型。R2與SSE的計算公式為

(3)

(4)

1.6 干燥速率

干燥速率公式為

(5)

其中，Mt+Δt為在t+Δt時刻的干基含水率(g/g)；t為干燥時間(min)；DR為干燥速率[g/(g.min)]。

1.7 微波干燥能效的測定

微波干燥時，不同的裝載量對于微波干燥效率的影響可以通過微波干燥效率(%)和單位能耗(MJ/kg)兩種不同的效率指標來表示。

微波干燥效率可由方程(6)進行計算，即通過計算被煙稈顆粒吸收并轉化為水蒸氣蒸發的能量與微波干燥設備所提供的能量比值來表示，有

(6)

其中，μ為微波干燥效率(%)；mw為蒸發的水蒸氣質量(kg);P為微波輸出功率(W)；t為間隔時間(s)。

在蒸發溫度為100℃時，水的氣化潛能為2 257kJ/kg[20]。

蒸發脫出物料中單位質量水所消耗的能耗為

(7)

其中，ES為單位能耗(kJ/kg)。

1.8 數據處理

物料含水率按 GB5496-1985 標準測定。

煙稈顆粒微波干燥試驗數據采用EXCEL進行繪制。應用SPSS19.0軟件Levenberg-Marquart算法對干燥模型進行非線性回歸分析。

2 結果與分析

2.1 煙稈顆粒微波干燥特性分析

2.1.1 微波功率

不同微波功率下煙稈顆粒的干燥曲線和干燥速率曲線如圖1和圖2所示。

圖2 不同微波功率下煙稈顆粒的微波干燥速率曲線

由圖1可知：當裝載量和物料厚度相同、使用不同的微波功率干燥時，微波功率越大，物料所需時間越短，干燥曲線越陡峭。由圖2可知：微波功率對干燥速率影響較為顯著，煙稈顆粒的微波干燥速率變化經過3個階段，即短時間加速、較長時間恒速、短時間減速。干燥功率越大，干燥速率越快。在煙稈顆粒的干燥初期，物料外部水因吸收微波輻射后升溫轉化為水蒸氣排出腔外，由于微波功率越大，在單位時間內物料表面的水分升溫越快，從而使得物料干燥速率較快；隨著干燥過程的進行，干燥腔內的溫度逐漸增加至空氣的濕球溫度，此時腔內溫度保持穩定，物料所吸收的微波輻射能全部用于外部水分蒸發，干燥處于恒速階段；當水分逐漸降低到含水率為1時，物料表面游離的水較少，主要為內部結合水，結合水蒸發速度低，外部散失的溫度散失較多，干燥速率處理降速階段。因此，選擇適當的干燥功率對煙稈顆粒的微波干燥尤為重要。

2.1.2 裝載量

由圖3可知：在微波干燥功率為0.7kW、厚度為10mm時，不同裝載量下的煙稈顆粒的水分比隨著干燥時間的變化關系為出煙稈顆粒干燥時間隨著裝載量增大而時間延長。由圖4可知：不同煙稈顆粒的裝載量對微波干燥速率影響較為顯著，干燥速率大小分為升速、恒速、降速3個階段。由于每組試驗的物料初始含水率相同，因此耗時的長短是由裝載量的不同而導致的。裝載量大導致物料干燥時密度較大，單位面積物料所吸收的微波輻射能較少，微波干燥速率降低。同時，干燥過程中物料內部的水分蒸發后被帶出腔內，排出的水分有限，裝載量越大，所需要蒸發的水分越多，物料盤和腔內集聚大量水珠，從而加大排濕難度。當裝載量較低時，微波功率密度大，能夠使物料產生大量的熱量，向外交換的熱量越多，從而增強內部向外擴散水分的能力，促進了更多的水分蒸發，縮短了干燥時間。在對試驗數據進行測量時，設備的開啟會造成溫度交換，裝載量越大，設備內外濕度差越大，從而干燥速率降低。

圖3 不同裝載量下煙稈顆粒水分隨時間干燥曲線

圖4 不同裝載量下煙稈顆粒的微波干燥速率曲線

2.1.3 干燥曲線擬合

對于不同裝載量的微波干燥條件下，利用SPSS19.0軟件對試驗數據進行非線性回歸，根據表1中文獻的薄層物料微波干燥模型對煙稈顆粒干燥數據進行擬合，其結果如表2所示。

對于不同的干燥模型，試驗數據中所算出的水分比MR與其所擬合的結果不一樣，其干燥模型的常數也不同。對各模型的擬合優度統計的結果進行綜合分析，根據決定系數R2越大、殘差平方和越小，則數學模型匹配越高的原則，發現Logarithmic模型擬合較優，其決定系數R2在0.988～0.994之間，殘差平方和在0.047～0.082之間，說明該數學模型能較好地對煙稈顆粒的微波干燥規律進行描述。

表2 不同干燥條件下種數學模型的數據分析結果

2.2 煙稈顆粒微波干燥的數學模型

2.2.1 干燥模型的選擇

對表1中所列常見的5種薄層物料干燥模型進行擬合求解，由決定系數、殘差平方和等來衡量干燥模型的擬合優度。當微波干燥功率為0.7kW時，不同裝載量時對數學模型的擬合結果如表2所示。對各種模型的擬合度進行分析，得到Logarithmic模型擬合較優。因此，選擇Logarithmic模型來描述煙稈顆粒微波干燥過程。

為了解釋固定微波輸出功率下，裝載量對于Logarithmic干燥模型的影響，本研究通過回歸分析建立了該模型的相關參數值(a、b、k)與裝載量之間的回歸方程，得出干燥常數與功率(Q)、裝載量(G)之間的關系，即

a=2.2×10-1G+1.318×103Q-9.22×102

(8)

R2=0.996

b=2.2×10-2G+1.314×103Q-9.23×102

(9)

R2=0.996k=-3×10-3G-10.36G+8.118

(10)

R2=1

將方程式(8)～式(10)代入Logarithmic方程中，得到微波干燥下煙稈顆粒的薄層干燥模型為

(11)

2.2.2干燥模型的驗證

為了驗證Logarithmic模型擬合的準確性，通過比較不同功率和不同裝載量下微波干燥的預測值與試驗值，結果如圖5所示。由圖5可知：Logarithmic模型的預測值與試驗值擬合度較優，決定系數R2為0.995～0.998，殘差平方和為0.001 43～0.016 75。因此，選擇Logarithmic模型能夠準確描述微波干燥過程中的水分變化規律，可以較好地描述煙稈顆粒微波干燥過程。

圖5 不同裝載量和不同微波功率下的煙稈顆粒微波干燥的預測值與試驗值的比較

2.3 干燥速率與單位能耗

不同裝載量下(33～169g)微波干燥煙稈顆粒的平均能耗如圖6所示。這個值在15.45～39.25MJ/kg，裝載量越多，平均單位能耗越低；不同裝載量下，平均干燥效率范圍為8.21%～22.12%，裝載量越多，平均干燥效率越高，這個結果與Soyal等[21]研究相一致。由于微波輻射能與物料內部的水分成正比，導致煙稈顆粒內加熱的水分越多，單位能耗就越低[22]。

圖6 不同裝載量下煙稈顆粒的微波干燥速率曲線

3 結論

1)煙稈顆粒的微波干燥速率變化過程為升速、恒速、降速3個階段，恒速階段時間較長。

2)當微波功率恒定為0.7kW時，裝載量越大，煙稈顆粒微波干燥速率變化越慢，加熱時間越長；裝載量越少，干燥速率變化越大，加熱時間越少。當裝載量為60g時，干燥時間隨著微波功率增大而縮短。將煙稈顆粒干燥至含水率為10%，裝載量為33～169g，干燥時間為5～12min；微波功率為0.28～0.7kW時，干燥時間為6～12min。

3)發現Logarithmic模型(R2≥0.994)能較好地描述煙稈顆粒的干燥變化規律。由干燥系數k變化可看出，裝載量越大，干燥速率也隨之而降低。

4)煙稈微波干燥過程中，平均能耗為15.45～39.25MJ/kg，干燥效率為8.21%～22.12%。隨著裝載量的增大，單位質量的物料吸收微波能越多，從而降低了單位能耗，提高干燥效率。

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